JP2021113906A - 光変調器および光変調器の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光変調器のバイアス制御に要する時間を短縮する。【解決手段】光変調器は、マッハツェンダ変調器およびバイアス制御部を備える。マッハツェンダ変調器は、第１の光パス上に形成される第１の干渉計と、第２の光パス上に形成される第２の干渉計と、第１の光パスと第２の光パスとの間の位相差を調整する移相器と、第１の干渉計の出力光および第２の干渉計の出力光を合波して光信号を出力する出力光回路を備える。バイアス制御部は、第１の干渉計の動作点を制御する第１のバイアス信号を出力する第１のバイアス部と、第２の干渉計の動作点を制御する第２のバイアス信号を出力する第２のバイアス部と、移相器の移相量を制御する、低周波信号が重畳された第３のバイアス信号を出力する第３のバイアス部と、光信号に含まれる低周波信号の周波数成分に基づいて第１〜第３のバイアス信号を制御する制御部を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、光変調器および光変調器の制御方法に係わる。

光変調器は、光伝送システムの高速化または大容量化を実現するためのキーデバイスの１つである。特に、マッハツェンダ変調器は、所望の変調方式に応じた変調光信号を生成できるので、広く実用化されている。

図１は、マッハツェンダ変調器の一例を示す。この実施例では、マッハツェンダ変調器は、ＩＱ変調器として動作する。すなわち、マッハツェンダ変調器は、Ｉアーム光パスおよびＱアーム光パスから構成される。Ｉアーム光パス上には、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉが設けられている。Ｑアーム光パス上には、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑが設けられている。さらに、マッハツェンダ変調器は、移相器１１を備える。移相器１１は、Ｉアーム光パスを介して伝搬する光の位相とＱアーム光パスを介して伝搬する光の位相との差分が所定の目標値となるように、Ｉアーム光パスを介して伝搬する光またはＱアーム光パスを介して伝搬する光の少なくとも一方の位相を調整する。図１に示す例では、移相器１１は、Ｑアーム光パス上に設けられ、Ｑアーム光パスを介して伝搬する光の位相を調整する。位相差の目標値は、例えば、π／２である。なお、以下の記載において、π／２は、「π／２＋２ｎπ（ｎは、任意の整数）」を含むものとする。

マッハツェンダ変調器は、光源（ＬＤ）１００により生成される連続光を変調して変調光信号を生成する。すなわち、光源１００により生成される連続光は、分岐されてＩアーム光パスおよびＱアーム光パスに導かれる。そうすると、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉは、データＩで連続光を変調して光信号Ｉを生成する。マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑは、データＱで連続光を変調して光信号Ｑを生成する。そして、マッハツェンダ変調器は、光信号Ｉおよび光信号Ｑを合波して変調光信号を生成する。

ここで、品質のよい変調光信号を生成するために、マッハツェンダ変調器のバイアス制御が行われる。Ｉアームバイアス制御およびＱアームバイアス制御は、それぞれＮｕｌｌ点を設定する。すなわち、Ｉアームバイアス制御は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉから出力される光のパワーを最小化する。Ｑアームバイアス制御は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑから出力される光のパワーを最小化する。また、位相バイアス制御は、Ｉアーム光パスとＱアーム光パスとの間の位相差を目標値（ここでは、π／２）に制御する。

なお、マッハツェンダ変調器のバイアス制御については、例えば、特許文献１〜５に記載されている。

ＷＯ２０１７／０８２３４９ ＷＯ２０１４／０３４０４７ 特開２０１９−０７４６１２号公報 特開２０１７−１１６７４６号公報 特開２０１７−１８８８２９号公報

従来の技術で図１に示す３つのバイアスを制御する場合、好適な状態が得られるまでに要する時間が長くなることがある。そして、バイアス制御に要する時間が長くなると、通信システムの運用効率が悪くなる。例えば、通信システムの障害等に起因して通信機器の再起動が行われる場合、光変調器のバイアス制御が行われる。この場合、バイアス制御に要する時間が長いと、障害の影響が大きくなるおそれがある。

本発明の１つの側面に係わる目的は、光変調器のバイアス制御に要する時間を短縮することである。

本発明の１つの態様の光変調器は、マッハツェンダ変調器および前記マッハツェンダ変調器のバイアスを制御するバイアス制御部を備える。前記マッハツェンダ変調器は、入力光を分岐して第１の光パスおよび第２の光パスに導く入力光回路と、前記第１の光パス上に形成される第１のマッハツェンダ干渉計と、前記第２の光パス上に形成される第２のマッハツェンダ干渉計と、前記第１の光パスと前記第２の光パスとの間の位相差を調整する移相器と、前記第１のマッハツェンダ干渉計の出力光および前記第２のマッハツェンダ干渉計の出力光を合波して光信号を出力する出力光回路と、を備える。前記バイアス制御部は、前記第１のマッハツェンダ干渉計の動作点を制御する第１のバイアス信号を出力する第１のバイアス部と、前記第２のマッハツェンダ干渉計の動作点を制御する第２のバイアス信号を出力する第２のバイアス部と、前記移相器の移相量を制御する、低周波信号が重畳された第３のバイアス信号を出力する第３のバイアス部と、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分に基づいて、前記第１のバイアス信号、前記第２のバイアス信号、および前記第３のバイアス信号を制御する制御部と、を備える。

上述の態様によれば、光変調器のバイアス制御に要する時間が短くなる。

マッハツェンダ変調器の一例を示す図である。 マッハツェンダ変調器のバイアス制御の一例を示す図である。 マッハツェンダ変調器のバイアス制御の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる光変調器の一例を示す図である。 マッハツェンダ変調器の特性を示す図である。 位相バイアスとＡＣ成分の振幅との関係を説明する図である。 位相バイアスとＡＣ成分の振幅との関係を模式的に示す図である。 バイアス制御部の構成の一例を示す図である。 バイアスを制御する方法の一例を示すフローチャートである。 低周波信号の振幅を決定する方法の一例を示すフローチャートである。 Ｉ／Ｑバイアスを制御する方法の一例を示すフローチャートである。 位相バイアスを制御する方法の一例を示すフローチャートである。 低周波信号の振幅がπより小さく、且つ、位相バイアスが適切なときの出力光に含まれるＡＣ成分を説明する図である。 低周波信号の振幅がπより小さく、且つ、位相バイアスが適切でないときの出力光に含まれるＡＣ成分を説明する図である。 低周波信号の振幅がπより大きく、且つ、位相バイアスが適切なときの出力光に含まれるＡＣ成分を説明する図である。 低周波信号の振幅がπより大きく、且つ、位相バイアスが適切でないときの出力光に含まれるＡＣ成分を説明する図である。 光変調器の構成のバリエーションを示す図である。 光変調器の構成の他のバリエーションを示す図である。

図２は、マッハツェンダ変調器のバイアス制御の一例を示す。図２に示す例では、各バイアス信号に重畳される低周波信号の周波数が互いに異なる。すなわち、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点を制御するバイアス信号は低周波数信号Ｆ１で変調され、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点を制御するバイアス信号は低周波数信号Ｆ２で変調され、移相器１１の移相量を制御するバイアス信号は低周波数信号Ｆ３で変調される。この場合、マッハツェンダ変調器は、出力光から各低周波数信号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を抽出するためのバンドパスフィルタを備える。そして、バイアス制御部は、出力光から抽出される低周波数信号Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を利用して、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点、および移相器１１の移相量をそれぞれ制御する。

ただし、この構成では、出力光から低周波数信号を抽出するためのバンドパスフィルタの個数が多くなる。よって、光変調器のサイズが大きくなり、また、光変調器のコストが高くなる。

図３は、マッハツェンダ変調器のバイアス制御の他の例を示す。図３に示す例では、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点を制御するバイアス信号およびマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点を制御するバイアス信号は、同じ周波数の低周波信号で変調される。この構成においては、図２に示す構成と比較してバンドパスフィルタの個数が少なくなる。ただし、この構成では、移相器１１の移相量が目標値に調整されていないときは、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑに与えられる１組の低周波信号が干渉するので、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑの動作点の調整が困難である。加えて、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑの動作点を調整すると、移相器１１の目標移相量が変化する。したがって、この構成では、バイアス制御に要する時間が長くなる。

図４は、本発明の実施形態に係わる光変調器の一例を示す。本発明の実施形態に係わる光変調器１は、マッハツェンダ変調器１０、光カプラ１２、受光器１３、ＡＣ成分検出部１４、およびバイアス制御部２０を備える。なお、光変調器１は、図４に示していない他の要素を備えてもよい。

マッハツェンダ変調器１０は、入力光回路１０ａ、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑ、移相器１１、出力光回路１０ｂを備える。そして、光源（ＬＤ）１００により生成される連続光がマッハツェンダ変調器１０に入力される。

入力光回路１０ａは、光源１００により生成される連続光を分岐してＩアーム光パスおよびＱアーム光パスに導く。入力光回路１０ａは、例えば、光導波路により構成される。また、Ｉアーム光パスおよびＱアーム光パスも、それぞれ光導波路で構成される。

マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉは、Ｉアーム光パス上に設けられる。マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑは、Ｑアーム光パス上に設けられる。各マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑは、それぞれ光導波路で構成される。また、各マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑは、バイアス信号を受信する電極およびデータ信号を受信する電極を備える。バイアス信号は、バイアス制御部２０により生成される。データ信号は、不図示のデータ信号生成回路により生成される。

移相器１１は、バイアス制御部２０により生成される位相バイアス信号に応じて、Ｉアーム光パスとＱアーム光パスとの間の位相差を調整する。すなわち、移相器１１は、Ｉアーム光パスを介して出力光回路１０ｂに到着する光の位相とＱアーム光パスを介して出力光回路１０ｂに到着する光の位相との差分が所定の目標値となるように、Ｉアーム光パスを介して伝搬する光またはＱアーム光パスを介して伝搬する光の少なくとも一方の位相を調整する。図４に示す実施例では、移相器１１は、Ｑアーム光パス上に設けられ、Ｑアーム光パスを介して伝搬する光の位相を調整する。目標値は、例えば、π／２である。

出力光回路１０ｂは、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光およびマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光を合波して光信号を出力する。出力光回路１０ｂは、例えば、光導波路により構成される。

光カプラ（ＣＬＰ）１２は、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号を分岐して受光器（ＰＤ）１３に導く。すなわち、光カプラ１３は、光スプリッタとして使用される。受光器１３は、受信光信号を電気信号に変換する。すなわち、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号を表す電気信号が生成される。ＡＣ成分検出部１４は、受光器１３の出力信号のＡＣ成分を検出する。すなわち、ＡＣ成分検出部１４は、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号に含まれるＡＣ成分を検出する。

バイアス制御部２０は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分を利用してマッハツェンダ変調器１０のバイアス制御を行う。すなわち、バイアス制御部２０は、各マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑの動作点を最適化し、また、移相器１１の移相量を最適化する。

上記構成の光変調器１において、光源１００により生成される連続光は、分岐されてＩアーム光パスおよびＱアーム光パスに導かれる。そうすると、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉは、データ信号Ｉで連続光を変調して光信号Ｉを生成する。マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑは、データ信号Ｑで連続光を変調して光信号Ｑを生成する。そして、マッハツェンダ変調器１０は、光信号Ｉおよび光信号Ｑを合波して変調光信号を生成する。

ここで、品質のよい変調光信号を生成するために、光変調器１は、バイアス信号の初期設定を行う。具体的には、Ｉアームバイアス制御、Ｑアームバイアス制御、および位相バイアス制御が行われる。Ｉアームバイアス制御は、データ信号Ｉが与えられていないときに、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉから出力される光のパワーを最小化する。Ｑアームバイアス制御は、データ信号Ｑが与えられていないときに、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑから出力される光のパワーを最小化する。位相バイアス制御は、Ｉアーム光パスとＱアーム光パスとの間の位相差を目標値（ここでは、π／２）に制御する。以下、バイアス制御について記載する。

バイアス制御部２０は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点を調整するためのＩアームバイアス信号、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点を調整するためのＱアームバイアス信号、および移相器１１の移相量を調整するための位相バイアス信号を生成する。ここで、Ｉアームバイアス信号およびＱアームバイアス信号は、それぞれ直流電圧信号である。一方、位相バイアス信号は、直流電圧信号を所定の周波数の変調信号で変調することにより得られる。この変調信号の周波数は、データ信号Ｉまたはデータ信号Ｑのシンボルレートと比較して十分に低速である。したがって、以下の記載では、この変調信号を「低周波信号」と呼ぶことがある。

低周波信号の振幅は、特に限定されるものではないが、「π（又は、Ｖπ）」に設定されることが好ましい。ここで、マッハツェンダ変調器１０の出力光の強度は、図５に示すように、位相バイアス信号の電圧に対して周期的に変化する。そして、出力光の強度を１周期だけ変化させる電圧変化量は「２π（または、２Ｖπ）」と定義される。この場合、「π（または、Ｖπ）」は、マッハツェンダ変調器１０の出力光の強度を最小値から最大値まで変化させる電圧、または、マッハツェンダ変調器１０の出力光の強度を最大値から最小値まで変化させる電圧に相当する。

なお、低周波信号の波形は、特に限定されるものではない。例えば、低周波信号は、サイン波であってもよいし、パルス波であってもよいし、ランプ波であってもよい。ランプ波は、直線的に電圧が上昇する区間および直線的に電圧が低下する区間が交互に繰り返される信号を表す。

バイアス制御部２０は、バイアス制御の開始時に、Ｉアームバイアス信号、Ｑアームバイアス信号、および位相バイアス信号をマッハツェンダ変調器１０に与える。また、光源１００により生成される連続光がマッハツェンダ変調器１０に入力される。ただし、データ信号Ｉおよびデータ信号Ｑは、マッハツェンダ変調器１０に与えられない。

この場合、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号は、低周波信号の周波数成分を含む。この光信号は、光カプラ１２により分岐され、受光器１３により電気信号に変換される。また、ＡＣ成分検出部１４は、受光器１３の出力信号に含まれるＡＣ成分を検出する。このとき、ＡＣ成分検出部１４は、低周波信号の周波数成分を検出する。すなわち、ＡＣ成分検出部１４は、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号に含まれる低周波信号の周波数成分を検出する。そして、ＡＣ成分検出部１４は、低周波信号の周波数成分を表すモニタ信号を出力する。モニタ信号は、ＡＣ成分検出部１４において検出される低周波信号の周波数成分の振幅または強度を表してもよい。

バイアス制御部２０は、ＡＣ成分検出部１４から出力されるモニタ信号に基づいてマッハツェンダ変調器１０のバイアスを制御する。即ち、バイアス制御部２０は、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号に含まれる低周波信号の周波数成分に基づいて、Ｉアームバイアス、Ｑアームバイアス、および位相バイアスを制御する。

この場合、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光の振幅Ａ_Iおよびマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光の振幅Ａ_Qは、（１）式で表される。

Ｐ_Iは、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光のパワーを表す。Ｐ_Qは、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光のパワーを表す。φ_Iは、Ｉアーム光パスにおいて発生する位相変化量を表す。φ_Qは、Ｑアーム光パスにおいて発生する位相変化量を表す。そして、Φは、移相器１１による移相量を表す。

また、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号のパワーＰ_outは、（２）式で表される。

移相量Φは、位相バイアス信号により制御される。Φ₀は、位相バイアス信号の直流電圧を表す。ｆ（ｔ）は、低周波信号を表す。低周波信号の振幅は、例えば、πである。したがって、移相器１１の移相量は、Φ₀±π/２の範囲内で変動する。即ち、移相器１１の移相量の最大値および最小値は、それぞれΦ₀＋π/２およびΦ₀−π/２である。

マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号は、上述のように、光カプラ１２により分岐され、受光器１３により電気信号に変換される。そして、ＡＣ成分検出部１４は、受光器１３の出力信号に含まれるＡＣ成分を検出する。したがって、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分Ｅ_AC（すなわち、マッハツェンダ変調器１０から出力される光信号に含まれる低周波信号の周波数成分）は、（３）式で表される。

なお、Ｅ(cos(Φ＋Δφ))は、平均値を表す。即ち、Ｅ(cos(Φ＋Δφ))は、Φ₀およびΔφの大きさによって変化する。

バイアス制御部２０は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分Ｅ_ACに基づいてバイアス制御を行う。具体的には、下記の手順でバイアス制御が行われる。

バイアス制御部２０は、Ｉアームバイアス信号の電圧値を調整してマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点をＮｕｌｌ点に設定する。すなわち、バイアス制御部２０は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光のパワーを小さくする。好ましくは、バイアス制御部２０は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光のパワーを最小化する。なお、Ｉアームバイアスの調整時には、Ｑアームバイアスは固定される。また、Ｉアームバイアスを調整することでマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光のパワーを最小化しても、そのパワーはゼロにはならないものとする。

ここで、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅は、（３）式に示すように、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光のパワーＰ_Iとマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光のパワーＰ_Qとの積の平方根に比例する。よって、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの出力光のパワーを小さくすると、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅も小さくなる。したがって、バイアス制御部２０は、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅が最小化されるように、Ｉアームバイアス信号の電圧値を調整する。この結果、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点がＮｕｌｌ点に設定される。

続いて、バイアス制御部２０は、Ｑアームバイアス信号の電圧を調整してマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点をＮｕｌｌ点に設定する。即ち、バイアス制御部２０は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光のパワーを小さくする。好ましくは、バイアス制御部２０は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光のパワーを最小化する。なお、Ｑアームバイアスの調整時には、Ｉアームバイアスは既に最適化されている。また、Ｑアームバイアスを調整することでマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光のパワーを最小化しても、そのパワーはゼロにはならないものとする。

ここで、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅は、（３）式に示すように、パワーＰ_IとパワーＰ_Qとの積の平方根に比例する。よって、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの出力光のパワーを小さくすると、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅も小さくなる。したがって、バイアス制御部２０は、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅が最小化されるように、Ｑアームバイアス信号の電圧値を調整する。この結果、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点もＮｕｌｌ点に設定される。

このように、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑの動作点がそれぞれＮｕｌｌ点に設定される。なお、この実施例では、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉのバイアスが調整された後にマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑのバイアスが調整されるが、本発明はこの手順に限定されるものではない。すなわち、バイアス制御部２０は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑのバイアスを調整した後にマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉのバイアスを調整してもよい。

この後、バイアス制御部２０は、位相バイアス信号の直流電圧値を調整して移相器１１の移相量を最適化する。即ち、Ｉアーム光パスとＱアーム光パスとの間の位相差がπ／２になるように、移相器１１の移相量が制御される。なお、位相バイアスの調整時には、ＩアームバイアスおよびＱアームバイアスは固定される。すなわち、位相バイアスの調整時には、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑの動作点は、それぞれＮｕｌｌ点に固定されている。

ここで、ＩアームバイアスおよびＱアームバイアスの調整が終了した後は、Ｐ_IおよびＰ_Qが固定値になるので、ＡＣ成分Ｅ_ACは（４）式で表される。

そうすると、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅は、cos(Φ＋Δφ)の最大値とcos(Φ＋Δφ)の最小値との差分で決まる。

図６は、位相バイアスとＡＣ成分Ｅ_ACの振幅との関係を説明する図である。ここで、図６（ａ）に示す例では、移相器１１の移相量は最適化されていない。即ち、Φ₀＋Δφはπ／２ではない。一例として、Φ₀＋Δφはπ／４に設定されている。この場合、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅は、Ａ１に比例する。

これに対して、図６（ｂ）に示す例では、移相器１１の移相量は最適化されている。具体的には、Φ₀＋Δφは、π／２である。この場合、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅は、Ａ２に比例する。なお、Ａ２は、Ａ１より大きく、最大振幅である。

図６（ｃ）に示す例では、Φ₀＋Δφはゼロである。この場合、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅は、Ａ３に比例する。Ａ３は、最小振幅である。すなわち、Φ₀＋Δφがゼロとなったとき、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅が最小になる。

図７は、位相バイアスとＡＣ成分Ｅ_ACの振幅との関係を模式的に示す。図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）は、それぞれ図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に対応する。なお、位相バイアス信号Φは、電圧Φ₀を中心として振幅Ｖπで振動する。また、図７に示すＥは、ＡＣ成分Ｅ_ACの平均値であり、（３）式の右辺の括弧内の第２項、又は、（４）式の右辺の第２項に相当する。

このように、Φ₀＋Δφがπ／２となるように移相器１１の移相量が最適化されると、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅が最大化される。換言すれば、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅が最大化されるように移相器１１の移相量を調整すれば、Φ₀＋Δφがπ／２になる。したがって、バイアス制御部２０は、ＡＣ成分Ｅ_ACの振幅が最大化されるように、位相バイアス信号の中心電圧（上述の例では、Φ₀に対応する電圧）を調整する。この結果、Ｉアーム光パスとＱアーム光パスとの位相差がπ／２に設定される。

図８は、バイアス制御部２０の構成の一例を示す。バイアス制御部２０は、Ｉアームバイアス部２１、Ｑアームバイアス部２２、位相バイアス部２３、および制御部２５を備える。なお、バイアス制御部２０は、図８に示してない他の要素を備えてもよい。

Ｉアームバイアス部２１は、制御部２５から与えられる直流電圧指令値に対応するＩアームバイアス信号を生成する。即ちち、Ｉアームバイアス信号は、直流電圧信号である。Ｑアームバイアス部２１は、制御部２５から与えられる直流電圧指令値に対応するＱアームバイアス信号を生成する。即ち、Ｑアームバイアス信号も、直流電圧信号である。

位相バイアス部２３は、制御部２５から与えられる直流電圧指令値に対応する位相バイアス信号を生成する。ただし、位相バイアス部２３は、バイアス変調部２４を備える。バイアス変調部２４は、直流電圧指令値に対応する直流電圧信号を所定の周波数の低周波信号で変調する。すなわち、直流電圧指令値に対応する直流電圧信号に低周波信号が重畳される。低周波信号の振幅は、制御部２５により指定される。

バイアス変調部２４が低周波信号を生成する回路を備えるときは、制御部２５からバイアス変調部２４に振幅指示が与えられる。そして、バイアス変調部２４は、振幅指示が表す振幅を有する低周波信号を生成し、その低周波信号で直流電圧信号を変調する。また、制御部２５からバイアス変調部２４に低周波信号が与えられるときは、バイアス変調部２４は、その低周波信号で直流電圧信号を変調する。

制御部２５は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分Ｅ_AC（即ち、マッハツェンダ変調器１０の出力光に含まれる低周波信号の周波数成分）の振幅を表すモニタ信号に基づいて、Ｉアームバイアス信号の電圧、Ｑアームバイアス信号の電圧、および位相バイアス信号の中心電圧を調整する。

また、制御部２５は、振幅決定部２５ａを備える。振幅決定部２５ａは、低周波信号の振幅を決定する。ここで、この実施例では、低周波信号の振幅は、マッハツェンダ変調器１０のＶπに相当する。よって、振幅決定部２５ａは、マッハツェンダ変調器１０のＶπを特定する。

例えば、振幅決定部２５ａは、位相バイアス信号の中心電圧をスイープ（又は、スキャン）しながらマッハツェンダ変調器１０の出力光のパワーをモニタする。ここで、マッハツェンダ変調器１０の出力光のパワーは、図５に示すように、位相バイアスに対して周期的に変化する。よって、振幅決定部２５ａは、マッハツェンダ変調器１０の出力光のパワーが最小になるときの位相バイアス信号の中心電圧およびマッハツェンダ変調器１０の出力光のパワーが最大になるときの位相バイアス信号の中心電圧を検出する。そして、振幅決定部２５ａは、これら２つの電圧値の差分を計算することで低周波信号の振幅を決定する。図５においては、Ｖ１およびＶ２が検出される。この場合、Ｖ２−Ｖ１が「π（又は、Ｖπ）」に相当する。よって、振幅決定部２５ａは、Ｖ２−Ｖ１を計算することで低周波信号の振幅を決定する。なお、マッハツェンダ変調器１０のＶπが既知である場合は、振幅決定部２５ａは、その値を低周波信号の振幅として使用してもよい。

制御部２５は、例えば、プロセッサおよびメモリを含むプロセッサシステムにより実現される。この場合、プロセッサは、メモリに格納されているバイアス制御プログラムを実行することにより、マッハツェンダ変調器１０のバイアスを制御する。或いは、制御部２５は、デジタル信号処理回路等のハードウェア回路で実現してもよい。

図９は、バイアスを制御する方法の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、例えば、光変調器１０を含む通信機器がデータ通信を開始または再開する前にデバイス制御部２０により実行される。

Ｓ１において、振幅決定部２５ａは、位相バイアス信号に重畳される低周波信号の振幅を決定する。Ｓ２において、制御部２５は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点およびマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点をそれぞれ制御する。Ｓ３において、制御部２５は、移相器１１の移相量を調整する。なお、Ｓ２〜Ｓ３により、マッハツェンダ変調器１０のバイアスが最適化される。そして、光変調器１は、マッハツェンダ変調器１０のバイアスが最適化された状態でデータ通信を開始または再開する。すなわち、光変調器１は、データ信号Ｉおよびデータ信号Ｑで連続光を変調し、変調光信号を出力する。

図１０は、低周波信号の振幅を決定する方法の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、図９に示すＳ１に対応する。

Ｓ１１において、振幅決定部２５ａは、Ｉアームバイアス信号の電圧およびＱアームバイアス信号の電圧を任意の固定値に設定する。このとき、制御部２５からＩアームバイアス部２１およびＱアームバイアス部２２にそれぞれ直流電圧指令値が与えられ、バイアス制御部２０は、Ｉアームバイアス信号およびＱアームバイアス信号を出力する。これにより、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＡＭ＿Ｑは、所定の状態に保持される。

Ｓ１２において、振幅決定部２５ａは、位相バイアスをスイープしながらマッハツェンダ変調器１０の出力光のパワーをモニタする。このとき、振幅決定部２５ａは、位相バイアス信号の中心電圧をΔＶずつ変化させる指示を位相バイアス部２３に与える。そして、振幅決定部２５ａは、電圧値を変化させる毎にマッハツェンダ変調器１０の出力光のパワーを検出する。検出したパワー値は、不図示のメモリに保存される。

Ｓ１３において、振幅決定部２５ａは、最小パワーが得られる電圧値および最大パワーが得られる電圧値を特定する。図５に示す例では、最大パワーが得られる電圧値Ｖ１および最小パワーが得られる電圧値Ｖ２が特定される。

Ｓ１４において、振幅決定部２５ａは、Ｓ１３で特定した２つの電圧値の差分を計算する。図５に示す例では、Ｖ２−Ｖ１が計算される。そして、振幅決定部２５ａは、この計算結果を、低周波信号の振幅を表す振幅値として不図示のメモリに保存する。

図１１は、Ｉ／Ｑバイアスを制御する方法の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、図９に示すＳ２に対応する。

Ｓ２１において、制御部２５は、Ｉアームバイアス信号の電圧、Ｑアームバイアス信号の電圧、および位相バイアス信号の中心電圧をそれぞれ任意の固定値に設定する。このとき、制御部２５からＩアームバイアス部２１、Ｑアームバイアス部２２、および位相バイアス部２３にそれぞれ直流電圧指令値が与えられ、バイアス制御部２０は、Ｉアームバイアス信号、Ｑアームバイアス信号、および位相バイアス信号を出力する。

Ｓ２２において、制御部２５は、Ｓ１４で計算した振幅値をバイアス変調部２４に通知する。そうすると、バイアス変調部２４は、この通知に基づいて低周波信号を生成する。そして、バイアス変調部２４は、この低周波信号で、位相バイアス部２３により生成される直流電圧信号を変調する。この結果、位相バイアス信号の電圧は、振幅πで振動することになる。

Ｓ２３において、制御部２５は、Ｑアームバイアス信号の電圧を固定しながら、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分が小さくなるようにＩアームバイアス信号の電圧を調整する。好ましくは、制御部２５は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分が最小になるようにＩアームバイアス信号の電圧を調整する。そして、制御部２５は、ＡＣ成分が最小になったときのＩアームバイアス信号の電圧値を、不図示のメモリに保存する。

Ｓ２４において、制御部２５は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分が小さくなるようにＱアームバイアス信号の電圧を調整する。好ましくは、制御部２５は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分が最小になるようにＱアームバイアス信号の電圧を調整する。このとき、Ｉアームバイアス信号の電圧は、Ｓ２３で調整された状態に保持されていることが好ましい。そして、制御部２５は、ＡＣ成分が最小になったときのＱアームバイアス信号の電圧値を、不図示のメモリに保存する。

なお、図１１に示す例では、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点が調整され、その後にマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点が調整されるが、本発明のこの手順に限定されるものではない。すなわち、制御部２５は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点を調整し、その後にマッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点を調整してもよい。

図１２は、位相バイアスを制御する方法の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、図９に示すＳ３に対応する。

Ｓ３１において、制御部２５は、Ｓ２３〜Ｓ２４の処理の結果を利用して、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿ＩおよびＭＺＭ＿Ｑの動作点を設定する。このとき、バイアス制御部２０は、Ｓ２３で取得した電圧値を有するＩアームバイアス信号を出力し、Ｓ２４で取得した電圧値を有するＱアームバイアス信号を出力する。この結果、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉ、ＭＺＭ＿Ｑの動作点がそれぞれＮｕｌｌ点に設定される。

Ｓ３２において、制御部２５は、Ｓ１４で計算した振幅値をバイアス変調部２４に通知する。そうすると、バイアス変調部２４は、この通知に基づいて低周波信号を生成する。そして、バイアス変調部２４は、位相バイアス部２３により生成される直流電圧信号を低周波信号で変調する。この結果、位相バイアス信号の電圧は、振幅πで振動することになる。

Ｓ３３において、制御部２５は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分が大きくなるように位相バイアス信号の中心電圧を調整する。好ましくは、制御部２５は、ＡＣ成分検出部１４により検出されるＡＣ成分が最大になるように位相バイアス信号の中心電圧を調整する。この結果、移相器１１の移相量が調整され、Ｉアーム光パスとＱアーム光パスとの間の位相差がπ／２に設定される。

上述したように、本発明の実施形態に係わるバイアス制御においては、Ｉアームバイアス信号およびＱアームバイアス信号を変調することなく、位相バイアス信号のみが変調される。よって、図２または図３に示す構成と比較して、低周波信号の周波数成分を検出するための回路を小さくできる。加えて、Ｉ／Ｑバイアスの調整および位相バイアスの調整は、互いに独立している。すなわち、位相バイアスの調整が行われた後に、Ｉ／Ｑバイアスの再調整を行う必要はない。したがって、バイアス制御に要する時間が短くなる。

次に、低周波信号の振幅をπ（または、Ｖπ）に設定することが好ましい理由を説明する。

図１３〜図１４は、低周波信号の振幅がπより小さいときの出力光に含まれるＡＣ成分を説明する図である。この例では、低周波信号の振幅はφ３である。φ３は、πよりも小さい。

図１３においては、マッハツェンダ変調器１０の位相バイアスが適切に調整されているものとする。即ち、Φ₀＋Δφは、図１３（ａ）に示すように、目標値（この例では、π／２）に調整されている。この場合、位相バイアス信号の電圧は、「π／２−φ３／２」から「π／２＋φ３／２」の範囲で変動する。そして、Φ₀＋Δφがπ／２に調整されているときに、振幅φ３の低周波信号が重畳された位相バイアス信号が移相器１１に与えられると、図１３（ｂ）に示すように、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅はＡ４である。

図１４においては、マッハツェンダ変調器１０の位相バイアスが適切に調整されていない。即ち、Φ₀＋Δφは、図１４（ａ）に示すように、目標値（この例では、π／２）からずれている。また、図１４（ｂ）に示すように、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅はＡ５である。

ここで、低周波信号の振幅φ３がπよりも小さいときは、Φ₀＋Δφがπ／２からずれた場合であっても、位相バイアスに対して出力光強度が線形に変化する線形領域内で低周波信号が振動することがある。そして、この場合、振幅Ａ５は、位相バイアスが適切に調整されているときに検出される振幅Ａ４とほぼ同じである。すなわち、Φ₀＋Δφがπ／２からずれているときに検出される振幅Ａ５と、位相バイアスが適切に調整されているときに検出される振幅Ａ４との差分は小さい。したがって、低周波信号の振幅がπであるケースと比較して、低周波信号の振幅がπより小さいケースでは、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅に基づいて位相バイアスを最適化する際の調整感度が低くなる。換言すれば、低周波信号の振幅をπに設定すれば、バイアス電圧の調整感度が高くなる。

図１５〜図１６は、低周波信号の振幅がπより大きいときの出力光に含まれるＡＣ成分を説明する図である。この例では、低周波信号の振幅はφ４である。φ４は、πよりも大きい。

図１５においては、マッハツェンダ変調器１０の位相バイアスが適切に調整されているものとする。即ち、Φ₀＋Δφは、図１５（ａ）に示すように、目標値（この例では、π／２）に調整されている。この場合、位相バイアス信号の電圧は、「π／２−φ４／２」から「π／２＋φ４／２」の範囲で変動する。そして、Φ₀＋Δφがπ／２に調整されているときに、振幅φ４の低周波信号が重畳された位相バイアス信号が移相器１１に与えられると、図１５（ｂ）に示すように、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅はＡ６である。

図１６においては、マッハツェンダ変調器１０の位相バイアスが適切に調整されていない。即ち、Φ₀＋Δφは、図１６（ａ）に示すように、目標値（この例では、π／２）からずれている。また、図１６（ｂ）に示すように、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅はＡ７である。

ここで、低周波信号の振幅φ４がπよりも大きいときは、Φ₀＋Δφがπ／２からずれた場合であっても、最大光強度が現れる電圧Ｖ１および最小光強度が現れる電圧Ｖ２が低周波信号の電圧範囲に含まれることになる。すなわち、低周波信号の振幅φ４がπよりも大きいときは、Φ₀＋Δφがπ／２に一致しているか否かにかかわらず、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅は実質的に一定である。図１５〜図１６に示す例では、Ａ６＝Ａ７である。よって、低周波信号の振幅がπより大きいケースでは、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅に基づいて位相バイアスを最適化することは困難である。或いは、低周波信号の振幅がπであるケースと比較して、低周波信号の振幅がπより大きいケースでは、ＡＣ成分検出部１４により検出される低周波信号の周波数成分の振幅に基づいて位相バイアスを最適化する際の調整感度が低くなる。換言すれば、低周波信号の振幅をπに設定すれば、バイアス電圧の調整感度が高くなる。

＜バリエーション＞
図１７に示す例では、受光器（ＰＤ）１３とＡＣ成分検出部１４との間にコンデンサＣが設けられる。このコンデンサＣは、受光器１３の出力信号からＤＣ成分を除去する。したがって、ＡＣ成分検出部１４は、マッハツェンダ変調器１０の出力光に含まれるＡＣ成分（即ち、低周波信号の周波数成分）を容易に抽出できる。

図１８に示す例では、受光器（ＰＤ）１３の出力側にバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１５が設けられる。ＢＰＦ１５の通過帯の中心周波数は、位相バイアス信号に重畳される低周波信号の周波数と実質的に同じである。すなわち、低周波信号の周期がＴである場合、ＢＰＦ１５の通過帯の中心周波数は１／Ｔである。

なお、Ｉ／Ｑアームバイアスの調整時には、位相差Δφが変化する。このため、Ｉ／Ｑアームバイアスの調整時には、Φ₀＋Δφがゼロまたはπになる可能性がある。そして、Φ₀＋Δφがゼロまたはπになると、マッハツェンダ変調器１０の出力光が、低周波信号の２倍の周波数のＡＣ成分を含むことになる。よって、ＢＰＦ１５は、低周波信号の周波数およびその２倍の周波数を含む通過帯域を備えることが好ましい。なお、ＢＰＦ１５の通過帯域の幅が狭いときは、位相バイアスの調整後に、再度、Ｉ／Ｑバイアスの調整および位相バイアスの調整を実行すればよい。

図９〜図１２に示すバイアス制御は、例えば、光変調器１の初期設定時に行われる。あるいは、このバイアス制御は、光変調器１の再起動時に実行される。この後、光変調器１は、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｉの動作点、マッハツェンダ干渉計ＭＺＭ＿Ｑの動作点、および移相器１１の移相量を動的にまたは適応的に調整してもよい。

１ 光変調器
１０ マッハツェンダ変調器
１１ 移相器
１４ ＡＣ成分検出部
１５ バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
２０ バイアス制御部
２１ Ｉアームバイアス部
２２ Ｑアームバイアス部
２３ 位相バイアス部
２４ バイアス制御部
２５ 制御部
２５ａ 振幅決定部

Claims (8)

1. マッハツェンダ変調器と、
   前記マッハツェンダ変調器のバイアスを制御するバイアス制御部と、を備え、
   前記マッハツェンダ変調器は、
   入力光を分岐して第１の光パスおよび第２の光パスに導く入力光回路と、
   前記第１の光パス上に形成される第１のマッハツェンダ干渉計と、
   前記第２の光パス上に形成される第２のマッハツェンダ干渉計と、
   前記第１の光パスと前記第２の光パスとの間の位相差を調整する移相器と、
   前記第１のマッハツェンダ干渉計の出力光および前記第２のマッハツェンダ干渉計の出力光を合波して光信号を出力する出力光回路と、を備え、
   前記バイアス制御部は、
   前記第１のマッハツェンダ干渉計の動作点を制御する第１のバイアス信号を出力する第１のバイアス部と、
   前記第２のマッハツェンダ干渉計の動作点を制御する第２のバイアス信号を出力する第２のバイアス部と、
   前記移相器の移相量を制御する、低周波信号が重畳された第３のバイアス信号を出力する第３のバイアス部と、
   前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分に基づいて、前記第１のバイアス信号、前記第２のバイアス信号、および前記第３のバイアス信号を制御する制御部と、を備える
   ことを特徴とする光変調器。
2. 前記制御部は、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分を小さくするように、前記第１のバイアス信号および前記第２のバイアス信号を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光変調器。
3. 前記制御部は、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分が最小化されるように前記第１のバイアス信号を制御し、その後、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分が最小化されるように前記第２のバイアス信号を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の光変調器。
4. 前記制御部は、前記第１のバイアス信号および前記第２のバイアス信号を制御した後、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分を大きくするように、前記第３のバイアス信号を制御する
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の光変調器。
5. 前記制御部は、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分が最大化されるように前記第３のバイアス信号を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光変調器。
6. 前記マッハツェンダ変調器の出力光の強度が、前記第３のバイアス信号の電圧に対して所定の周期で変化する構成において、前記低周波信号の振幅は、前記周期に対応する電圧の２分の１に設定される
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光変調器。
7. 前記制御部は、前記第３のバイアス信号の電圧を変化させながら前記マッハツェンダ変調器の出力光の強度が最大になる第１の電圧値および前記マッハツェンダ変調器の出力光の強度が最小になる第２の電圧値を取得し、
   前記低周波信号の振幅として前記第１の電圧値と前記第２の電圧値との差分が設定される
   ことを特徴とする請求項６に記載の光変調器。
8. 入力光を分岐して第１の光パスおよび第２の光パスに導く入力光回路と、前記第１の光パス上に形成される第１のマッハツェンダ干渉計と、前記第２の光パス上に形成される第２のマッハツェンダ干渉計と、前記第１の光パスと前記第２の光パスとの間の位相差を調整する移相器と、前記第１のマッハツェンダ干渉計の出力光および前記第２のマッハツェンダ干渉計の出力光を合波して光信号を出力する出力光回路と、を備えるマッハツェンダ変調器を制御する方法であって、
   低周波信号が重畳された位相バイアス信号を前記移相器に印加しながら前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分をモニタし、
   前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分が最小化されるように前記第１のマッハツェンダ干渉計の動作点を制御する第１のバイアス信号を制御し、
   前記第１のバイアス信号の制御が終了した後に、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分が最小化されるように前記第２のマッハツェンダ干渉計の動作点を制御する第２のバイアス信号を制御し、
   前記第２のバイアス信号の制御が終了した後に、前記光信号に含まれる前記低周波信号の周波数成分が最大化されるように前記位相バイアス信号を制御する
   ことを特徴とする光変調器の制御方法。

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